CN104014929A - 一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属的焊接方法 - Google Patents

一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属的焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，包括以下步骤：1)按照摩擦焊机的技术要求，装好马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管，摩擦焊机夹具卡紧钢管和合金管，钢管和合金管不产生晃动，使马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的中心线保持在一条水平线上；2)一级加压阶段，转速为1200-1500转/分，摩擦压力为20-50MPa,摩擦时间为1-3）秒；3)二级加压阶段，转速满足1200-1500转/分，摩擦压力为50-100MPa,摩擦变形量为1-4mm，摩擦时间小于10秒；4)顶锻阶段，顶锻压力为100-200MPa,顶锻时间为2-4秒；5)马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的焊接接头焊后需进行局部热处理，消除残余应力；具有接头质量高、适合异种材质的焊接、生产效率高、生产成本低、节能环保的特点。

Description

一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属的焊接方法
技术领域
本发明属于超超临界机组的异种金属焊接技术领域，具体涉及一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法。
背景技术
超超临界机组（Ultra-supercritical USC）作为目前世界最先进的洁净煤发电技术以其高效环保和节能等优势成为我国目前及未来一段时期内火力发电的必然趋势。据不完全统计，我国目前正在建设和规划建设的超超临界(USC)机组有近50台，其容量为600MW和1000MW两个级别，这些机组从2007年起陆续投入运行，我国已经成为目前世界上拥有USC机组最多的国家。发展USC机组的关键技术之一就是新型耐热钢的开发和应用，其中以T92、T91为代表的马氏体耐热钢和以Incoloy800系列合金为代表的高温镍基合金正是应用于1000MW超超临界机组的新型钢材。目前，我国USC机组所用T92、T91钢和Incoloy800系列合金及其焊接材料主要依靠进口，因此国家非常重视新型耐热钢和高温镍基合金技术的研究。
我国USC机组在压力上高于日本，在温度上高于欧洲同类机组，在管道选材方面，目前世界上并无一台相同的机型可供借鉴。同时，我国对马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接技术的研究远远滞后于欧美和日本，技术资料数据几乎全部依赖钢材的供应商和国外相关技术文献，这在很大程度上制约了我国超超临界机组设计、制造及安全运行。因此，在借鉴国外马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接经验的基础上，针对我国引进建设的超超临界机组的特点，开展对以T92、T91为代表的马氏体耐热钢和以Incoloy800系列为代表的高温镍基合金的焊接技术的研究是我国近期超超临界机组建设和安全运行的迫切需要。
T92、T91钢是细晶强韧化马氏体耐热钢，比传统铁素体耐热钢具有更高的蠕变断裂强度。Incoloy800系列高温镍基合金是抗高温氧化及抗高温渗碳的镍-铁-铬合金。该合金的镍含量达32％，因而能耐氯化物的应力腐蚀开裂，并对σ相的析出不敏感。该合金具有优良的蠕变断裂强度和耐均匀腐蚀性能。
Incoloy800系列合金具有比传统奥氏体不锈钢具有更高的蠕变断裂强度和抗高温蒸汽氧化性能。在USC锅炉过热器各区域蒸汽温度不同，对所用管材的抗腐蚀性、抗氧化性和高温蠕变性能的要求也不同。因此，在机组过热器管部件中会出现大量的以T92、T91为代表的马氏体耐热钢和以Incoloy800系列合金为代表的高温镍基合金异种金属焊接接头，焊接接头性能的优劣将关系到机组的安全可靠运行。
    过热器管、省煤器管、水冷壁管、再热器管爆漏是影响超超临界机组安全经济运行的主要问题之一，而异种金属焊接接头又是爆漏事故的多发地带，因此马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接接头的质量和可靠性是决定超超临界电站锅炉能否安全靠运行的重要因素，所以开发以T92、T91为代表的马氏体耐热钢和以Incoloy800系列合金为代表的高温镍基合金异种金属摩擦焊焊接技术，对于我国超超临界机组的技术研发和安全运行将会产生显著的经济效益和社会效益。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种接头质量高、生产效率高、生产成本低、节能环保的马氏体耐热钢和高温镍基合金异种金属焊接方法。 
为实现上述目的，本发明是采用的技术方案是：
一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，包括以下步骤：
1) 按照摩擦焊机的技术要求，分别安装好马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管，摩擦焊机夹具卡紧钢管和合金管，钢管和合金管不产生晃动，使马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的中心线保持在一条水平线上；
2) 一级加压阶段，转速为1200-1500转/分，摩擦压力为20-50MPa, 摩擦时间为1-3）秒；
3) 二级加压阶段，转速满足1200-1500转/分，摩擦压力为50-100MPa, 摩擦变形量为1-4mm，摩擦时间小于10秒；  
4) 顶锻阶段，顶锻压力为100-200MPa, 顶锻时间为2-4秒；
5) 马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的焊接接头焊后需进行局部热处理，消除残余应力，热处理参数为：升、降温速度小于等于200℃/h，加热温度950±10℃，保温时间为1-2h。
所述的马氏体耐热钢钢管的材料选自各种进口或者国产的T91钢和T92钢的任一种，高温镍基合金管的材料选自各种进口或者国产的Incoloy800系列合金的任一种，马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的尺寸，外径为30~120mm，厚度为5~20mm，马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的长度根据需要确定。
    所述马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的外径尺寸差小于等于较小管体外径的5%，厚度尺寸差小于等于较小管体厚度的2%，焊接前，钢管和合金管焊接面要保持清洁，不能被污染，所述的管体为马氏体耐热钢钢管或高温镍基合金管。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明采用了摩擦焊，摩擦焊是在压力下，利用被焊工件接触面的相互摩擦产生的摩擦热，使被焊接面金属达到热塑化状态，通过金属间的扩散和再结晶实现连接的一种焊接方法。摩擦焊技术是目前世界各国着力推广应用的先进固态连接技术，具有动态、高温、快速变形和变形程度大的特征。
    摩擦焊焊接过程中，焊缝区发生强烈的相互粘合、剪切撕裂和体积塑变粘滞，使该区金属得到充分变形，位错密度增大，晶格畸变能增加，动态再结晶驱动力增大，且随热塑性变形温度降低，再结晶晶粒单位体积自由能降低值增大，有利于高的再结晶形核率和均匀大量的形核，使焊缝区易获得较完善的动态再结晶组织，达到细化晶粒和组织的效果，从而获得细晶或超细晶组织。热、压力与扭矩的综合力学冶金效应使得焊缝区晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，因此摩擦焊接头不仅连接质量高，而且力学性能好。摩擦焊技术与传统的氩弧焊技术相比，具有以下优点：
    a)、接头质量高 
    摩擦焊属于固态焊接，焊接界面不发生熔化，焊合区金属为锻造组织，不产生氩弧焊焊接过程中因为熔化、凝固作用产生的气孔、夹渣等焊接缺陷，因此摩擦焊接头质量高于氩弧焊接头质量。
b)、适合异种材质的焊接
    摩擦焊不仅适用于普通的异种金属焊接、还可用于焊接性能差别很大的异种金属和异种金属，甚至可以焊接金属和非金属。
c)、生产效率高
    摩擦焊控制参数少，焊接过程简单，焊前工件准备时间短，焊接设备易于机械化、自动化、操作简单，生产效率远远高于传统的氩弧焊技术。
d)、生产成本低
    摩擦焊接不需要填充材料和保护气体，与传统的氩弧焊技术相比，成本可降低30%左右。
e)、节能环保
    摩擦焊所需功率仅及氩弧焊的 1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极，焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，工作环境好。
目前国内外还没有以T92、T91为代表的马氏体耐热钢和以Incoloy800系列合金为代表的高温镍基合金异种金属摩擦焊焊接相关的研究报道，本发明将摩擦焊替代传统的氩弧焊应用于马氏体耐热钢和高温镍基合金异种金属焊接，不仅有利于提高焊接接头的性能，而且有利于降低焊接成本，提高生产效率，改善工作环境，符合我国节能环保的基本国策。
按照本发明的方法，通过连续驱动旋转摩擦焊方法制备的马氏体耐热钢和高温镍基合金焊接接头的抗拉强度达到600-700MPa, 超过高温镍基合金母材的抗拉强度500-600MPa，本发明采用的连续驱动旋转摩擦焊方法与传统的氩弧焊技术相比，接头质量高、适合异种材质的焊接、生产效率高、生产成本低、节能环保，具有优异的力学性能，可以满足超超临界机组的实际工程需要，对于我国超超临界机组的技术研发和安全运行将会产生显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例1的焊件示意图。
图2为本发明实施例1常温拉伸试样图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明内容作进一步的详细说明：
实施例一
马氏体耐热钢选自上海宝钢产的T92钢管，高温镍基合金选自美国进口的Incoloy 800H合金管，T92钢管的尺寸外径为45mm， 厚度为9mm, Incoloy 800H合金管的尺寸外径为45mm， 厚度为9mm, 两种钢管长度均为0.15m。焊接前，钢管和合金管焊接面保持清洁，不能被污染。
    使用的连续驱动摩擦焊机满足以下性能要求：摩擦过程能实现两极加压，一级加压阶段，转速满足（0-1500）转/分，摩擦压力满足（0-50）MPa, 摩擦时间满足（0-3）秒，二级加压阶段，转速满足（0-1500）转/分，摩擦压力满足（0-100）MPa, 摩擦时间满足（0-10）秒，顶锻阶段，顶锻压力满足（0-200）MPa, 顶锻时间满足（0-4）秒。
按照下述步骤焊接T92钢管和Incoloy 800H合金管
1) 按照摩擦焊机的技术要求，分别安装好T92钢管和Incoloy 800H合金管，摩擦焊机夹具卡紧钢管和合金管，T92钢管和Incoloy 800H合金管不能产生晃动，钢管和合金管的中心线保持在一条水平线上；
 2) 一级加压阶段，转速为1200转/分，摩擦压力为20MPa, 摩擦时间为1秒；
3) 二级加压阶段，转速为1500转/分，摩擦压力为100MPa, 摩擦变形量为4mm；  
4) 顶锻阶段，顶锻压力为200MPa, 顶锻时间为4秒；
5) 马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的焊接接头焊后需进行局部热处理，以消除残余应力，所述步骤5) 的热处理参数为：升、降温速度为180℃/h， 加热温度960℃，保温时间2h。
实施例二
按照下述步骤焊接T91钢管和Incoloy 800H合金管
1) 按照摩擦焊机的技术要求，分别安装好T91钢管和Incoloy 800H合金管，摩擦焊机夹具卡紧钢管和合金管，T91钢管和Incoloy 800H合金管不能产生晃动，钢管和合金管的中心线保持在一条水平线上；
 2) 一级加压阶段，转速为1500转/分，摩擦压力为50MPa, 摩擦时间为3秒；
3) 二级加压阶段，转速为1200转/分，摩擦压力为50MPa, 摩擦变形量为2-4mm；  
4) 顶锻阶段，顶锻压力为100MPa, 顶锻时间为2秒；
5) 马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的焊接接头焊后需进行局部热处理，以消除残余应力，所述步骤5) 的热处理参数为：升、降温速度为150℃/h， 加热温度940℃，保温时间1-2h。
从表1可以看出实施例1~17，焊接接头拉伸试验断裂位置在Incoloy 800H母材处，说明焊接接头焊缝的抗拉强度超过Incoloy 800H母材的抗拉强度，并且焊接接头焊缝具有较高的冲击韧性，因此焊接接头焊缝强度较高，并具有良好的抗冲击性能。
参见图1，焊接接头具有良好的外观，成形好，不存在咬边、错边、未焊透和表面裂纹的等外观缺陷，经过打磨后，焊缝与母材可以圆滑过渡。
参见图2，焊接接头拉伸试验断裂位置在Incoloy 800H母材处，说明焊接接头焊缝的抗拉强度超过Incoloy 800H母材的抗拉强度。

Claims (4)

1. 一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1) 按照摩擦焊机的技术要求，分别安装好马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管，摩擦焊机夹具卡紧钢管和合金管，钢管和合金管不产生晃动，使马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的中心线保持在一条水平线上；
2) 一级加压阶段，转速为1200-1500转/分，摩擦压力为20-50MPa, 摩擦时间为1-3）秒；
3) 二级加压阶段，转速满足1200-1500转/分，摩擦压力为50-100MPa, 摩擦变形量为1-4mm，摩擦时间小于10秒；  
4) 顶锻阶段，顶锻压力为100-200MPa, 顶锻时间为2-4秒；
5) 马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的焊接接头焊后需进行局部热处理，消除残余应力。
2.根据权利要求1所述的一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，其特征在于，所述步骤5）的热处理参数为：升、降温速度小于等于200℃/h，加热温度950±10℃，保温时间为1-2h。
3.根据权利要求1所述的一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，其特征在于，所述的马氏体耐热钢钢管的材料选自各种进口或者国产的T91钢和T92钢的任一种，高温镍基合金管的材料选自各种进口或者国产的Incoloy800系列合金的任一种，马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的尺寸，外径为30~120mm，厚度为5~20mm，马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的长度根据需要确定。
4.根据权利要求1所述的一种马氏体耐热钢和高温镍基合金的异种金属焊接方法，其特征在于，所述马氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管的外径尺寸差小于等于较小管体外径的5%，厚度尺寸差小于等于较小管体厚度的2%，焊接前，钢管和合金管焊接面要保持清洁，所述的管体为马氏体耐热钢钢管或高温镍基合金管。
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